Phản ứng giữa Sắt(III) Clorua (FeCl₃) và Magie kim loại (Mg) là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử thành Fe²⁺, tạo FeCl₂, còn Mg bị oxi hóa thành Mg²⁺, tạo MagieClorua (MgCl₂).
Đây là phương trình phản ứng điện hóa xảy ra giữa một kim loại (rắn) và dung dịch muối (lỏng), có bản chất là sự trao đổi electron qua bề mặt tiếp xúc giữa hai pha.
Cụ thể:
Pha rắn là kim loại Magie, gồm các nguyên tử xếp mạng tinh thể lập phương tâm diện, trong đó các electron hóa trị khá linh động (hình thành “biển electron” – tên gọi chỉ tập hợp những electron có thể tự do di chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể của kim loại).
Pha lỏng là dung dịch ion (ví dụ FeCl₃), chứa ion Fe³⁺ và Cl⁻ hoà tan trong nước.
Phương trình hóa học
Phương trình chưa cân bằng:
\[FeC{l_3} + Mg \to FeC{l_2} + MgC{l_2}\]
Phương trình đã cân bằng:
\[2FeC{l_3} + Mg \to 2FeC{l_2} + MgC{l_2}\]
Điều Kiện Phản Ứng
Phản ứng không có điều kiện đặc biệt.
Nhiệt độ: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng.
Nguyên Lý Phản Ứng
Loại phản ứng: Oxi hóa – khử/Điện hóa kim loại.
Cơ chế phản ứng:
Fe³⁺ trong FeCl₃ bị khử thành Fe²⁺, tạo FeCl₂.
Mg bị oxi hóa thành Mg²⁺, tạo MgCl₂.
Phương trình electron:
Quá trình khử: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ (2Fe³⁺ nhận 2e⁻).
Quát trình oxi hóa: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ (1Mg mất 2e⁻).
Tổng quát: \[2FeC{l_3} + Mg \to 2FeC{l_2} + MgC{l_2}\]
Phương trình ion rút gọn:
\[2F{e^{3 + }} + Mg \to 2F{e^{2 + }} + M{g^{2 + }}\]
Cách Thực Hiện Phản Ứng
Chuẩn bị:
- Dung dịch FeCl₃ (0,1-0,5M), từ FeCl₃·6H₂O hòa tan.
- Magie kim loại: Bột hoặc dải Mg, làm sạch bằng HCl loãng.
- Dụng cụ: Bình phản ứng, đũa thủy tinh, đèn cồn (nếu gia nhiệt).
- Thiết bị: Kính bảo hộ, găng tay.
Trình tự tiến hành:
- Cho 10 mL dung dịch FeCl₃ (0,1M) vào bình phản ứng.ie
- Thêm 0,2-0,5 g bột Mg (hoặc dải Mg) vào dung dịch, khuấy nhẹ.
- Quan sát hiện tượng: Mg tan dần, dung dịch từ vàng/nâu (Fe³⁺) chuyển xanh nhạt (Fe²⁺, Mg²⁺).
- Nếu phản ứng chậm, gia nhiệt nhẹ (40-60°C).
- Kiểm tra Fe²⁺ và Mg²⁺ bằng thuốc thử sau khi Mg tan hết.
Lưu ý:
- Mg sạch để tránh oxit (MgO) giảm hiệu suất.
- FeCl₃ tươi, tránh thủy phân thành Fe(OH)₃.
- Mg dễ cháy, tránh dùng quá nhiều hoặc gần lửa.
- FeCl₂, MgCl₂ kích ứng, tránh tiếp xúc da.
Nhận Biết Phản Ứng
Hiện tượng quan sát được: Mg tan, dung dịch chuyển từ vàng/nâu sang xanh nhạt.
Kiểm chứng sản phẩm:
FeCl₂ (Fe²⁺): Thêm NaOH tạo kết tủa trắng xanh (Fe(OH)₂).
MgCl₂ (Mg²⁺): Thêm NaOH tạo kết tủa trắng (Mg(OH)₂).
Thêm (NH₄)₂CO₃: Kết tủa trắng MgCO₃.
Quá trình tương tác giữa pha rắn và pha lỏng, và lý thuyết điện hóa học liên quan
Khi pha rắn gặp pha lỏng: chuyện gì xảy ra ở mức nguyên tử?
Trong nhiều phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng oxi hóa – khử trong dung dịch, thường có sự tương tác giữa một kim loại rắn và một dung dịch muối. Ví dụ, khi một mảnh Magie được thả vào dung dịch chứa ion sắt III (Fe³⁺), ta đang có hai pha tiếp xúc: pha rắn là kim loại Mg, pha lỏng là dung dịch ion Fe³⁺ hòa tan trong nước.
Tại mặt tiếp xúc giữa hai pha này, xảy ra quá trình truyền electron: nguyên tử Magie nhường electron cho ion Fe³⁺. Khi đó, Fe³⁺ nhận electron để biến thành Fe²⁺, còn Mg mất electron để trở thành ion Mg²⁺ và tan vào dung dịch. Mọi thứ diễn ra tại mặt tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch, gọi là bề mặt phản ứng. Các phân tử nước và ion Cl⁻ trong dung dịch đóng vai trò là môi trường vận chuyển, giúp các ion di chuyển dễ dàng hơn sau khi phản ứng xảy ra.
Phản ứng minh họa:
\[Fe^{3+}_{(dd)} + Mg_{(rắn)} → Fe^{2+}_{(dd)} + Mg^{2+}_{(dd)}\]
Vì sao lại có sự trao đổi electron giữa các chất?
Sự trao đổi electron là nền tảng của phản ứng oxi hóa – khử. Bản chất của hiện tượng này là do mỗi nguyên tử hay ion đều có một “xu hướng” nhận hoặc nhường electron khác nhau. Chất nào dễ nhường electron sẽ đóng vai trò là chất khử, còn chất nào dễ nhận electron sẽ là chất oxi hóa.
Lý do sâu xa là năng lượng của electron nằm ở những mức khác nhau tùy vào loại nguyên tử. Khi một nguyên tử có electron ở mức năng lượng cao gặp một ion có khả năng hút electron mạnh (nghĩa là ở mức năng lượng thấp), electron sẽ “chạy” từ nơi có năng lượng cao về nơi có năng lượng thấp hơn. Quá trình này giải phóng năng lượng, nên dễ xảy ra.
Vì sao ion Fe³⁺ có khả năng nhận electron tốt hơn ion Mg²⁺?
Điều này thể hiện rõ qua giá trị gọi là thế điện cực chuẩn (E⁰), đại diện cho mức độ dễ bị khử của một chất (tức là khả năng nhận electron). So sánh:
- Cặp Fe³⁺/Fe²⁺: \[E^\circ = +0,77 V\]
- Cặp Mg²⁺/Mg: \[E^\circ = -2,37 V\]
Chênh lệch thế điện cực: \[ΔE^\circ = E^\circ_{oxh} – E^\circ_{khử} = 0,77 – (-2,37) = 3,14 V\]
Giá trị ΔE⁰ dương và lớn cho thấy phản ứng tự xảy ra mạnh mẽ, tức là có tính tự phát cao. Điều này cho thấy magiê có xu hướng nhường electron rất mạnh, còn Fe³⁺ có xu hướng nhận electron rõ rệt.
Số liệu này cho thấy ion Mg²⁺ có xu hướng nhường electron rất mạnh. Có những lý do chính:
Điện tích hạt nhân và bán kính nguyên tử:
- Mg có cấu hình [Ne]3s², lớp vỏ ngoài chỉ có 2 electron. Việc nhường 2 electron giúp Mg đạt cấu hình bền [Ne].
- Mg có bán kính lớn hơn Fe³⁺, nên lực hút của hạt nhân đối với electron ngoài cùng yếu hơn từ đó dễ nhường electron.
Độ ổn định sau phản ứng:
- Sau khi mất 2 electron, Mg trở thành ion Mg²⁺ có lớp electron hoàn chỉnh, tương đối ổn định.
- Trong khi đó, Fe³⁺ nhận electron để trở thành Fe²⁺ – trạng thái năng lượng thấp hơn và bền hơn Fe³⁺.
Cách tính thế điện cực trong điều kiện không chuẩn
Khi phản ứng diễn ra trong điều kiện thực tế (không phải điều kiện chuẩn), thế điện cực không còn giữ nguyên như trong bảng tra cứu mà sẽ thay đổi tùy vào nồng độ của các ion tham gia. Sự thay đổi này được mô tả bằng phương trình Nernst:
\[E = E^\circ – \frac{0,0591}{n} \log ( \frac{{[chất sản phẩm]}}{{[chất phản ứng]}})\]
Trong đó:
- E là thế điện cực thực tế
- n là số mol electron trao đổi
- Dấu log thể hiện mức ảnh hưởng của nồng độ
Ví dụ, nếu nồng độ Fe³⁺ trong dung dịch giảm, thì khả năng Fe³⁺ nhận electron cũng giảm khiến cho thế điện cực thực tế sẽ thấp hơn so với giá trị chuẩn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị thế điện cực (E⁰)
Thế điện cực không phải giá trị cố định của từng nguyên tố, mà chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên trong nguyên tử:
Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Nếu nguyên tử có nhiều proton ở hạt nhân nhưng bị che chắn ít bởi các lớp electron bên trong, lực hút của hạt nhân với electron sẽ rất mạnh nên có xu hướng nhận electron cao, vậy nên E⁰ lớn.
Bán kính ion nhỏ: Ion có bán kính nhỏ thì mật độ điện tích lớn, gây lực hút electron mạnh hơn.
Cấu hình electron ổn định: Nguyên tử hoặc ion càng gần trạng thái bền vững (như vỏ ngoài đầy đủ) thì càng khó nhận thêm electron. Ngược lại, nếu đang ở trạng thái không ổn định, chúng sẽ có xu hướng nhận hoặc nhường electron mạnh hơn.
Ảnh hưởng của dung môi và liên kết ion: Trong dung dịch, nước và các ion xung quanh có thể ổn định trạng thái oxi hóa nào đó, làm thay đổi E⁰ theo hướng tăng hoặc giảm.
Magie có thể khử trực tiếp Fe³⁺ về Fe nguyên tử không?
Mối quan hệ về khả năng khử giữa Magie và sắt
Khi xét một phản ứng khử, điều quan trọng nhất là phải so sánh khả năng “nhường” và “nhận” electron giữa các chất tham gia. Trong phản ứng giữa Magie (Mg) và ion sắt (Fe³⁺), Magie là kim loại có tính khử rất mạnh, nghĩa là nó dễ bị mất electron để tạo thành ion Mg²⁺. Trong khi đó, ion sắt Fe³⁺ lại dễ dàng nhận electron để giảm mức oxi hóa của nó.
Dựa trên số liệu thực nghiệm, thế điện cực của các chất liên quan là:
\[Mg^{2+} + 2e \to Mg (E^\circ = -2,37 V)\]
\[Fe^{3+} + e \to Fe^{2+} (E^\circ = +0,77 V)\]
\[Fe^{2+} + 2e \to Fe (E^\circ = -0,44 V)\]
Dễ thấy rằng Magie có thể dễ dàng đưa electron cho cả hai mức oxi hóa của sắt. Nói cách khác, Mg có đủ sức để khử Fe³⁺ về Fe²⁺, và tiếp tục khử Fe²⁺ về Fe kim loại.
Cơ chế khử: Diễn ra trực tiếp hay theo từng bước?
Về mặt lý thuyết, phản ứng có thể diễn ra theo một trong hai cách:
- Khử trực tiếp: Fe³⁺ nhận liền 3 electron để trở thành Fe kim loại
- Khử từng bước: Fe³⁺ nhận 1 electron để trở thành Fe²⁺, sau đó nhận thêm 2 electron để về Fe⁰
Vấn đề nằm ở chỗ: liệu ion Fe³⁺ có dễ dàng tiếp nhận 3 electron cùng một lúc không?
Câu trả lời là không đơn giản. Trong thực tế, phản ứng thường không xảy ra theo kiểu “một bước nhảy lớn” như vậy. Thay vào đó, hệ thống phản ứng sẽ chọn con đường dễ hơn về mặt động học, tức là diễn ra với các bước nhỏ hơn, đòi hỏi ít điều kiện va chạm đặc biệt hơn. Và đó chính là cơ chế từng bước:
\[Fe^{3+} + e \to Fe^{2+}\]
\[Fe^{2+} + 2e \to Fe\]
Vì vậy, phản ứng chủ yếu sẽ đi theo hướng tuần tự: Magie trước tiên khử Fe³⁺ thành Fe²⁺, rồi sau đó tiếp tục khử Fe²⁺ thành Fe kim loại.
Phản ứng khử có thể diễn ra song song không?
Dù phản ứng từng bước là cơ chế chính, nhưng trong điều kiện phản ứng cụ thể, vẫn có khả năng xảy ra khử trực tiếp Fe³⁺ thành Fe nguyên tử. Điều này đặc biệt đúng nếu nồng độ Mg cao, hoặc có sự khuấy trộn mạnh giúp tăng số lần va chạm giữa Mg và Fe³⁺. Tuy nhiên, do cơ chế này cần sự trao đổi 3 electron trong một va chạm, nên nó không phổ biến bằng quá trình xảy ra từng bước.
Phản ứng liên quan
\[FeC{l_3} + Cu \to FeC{l_2} + CuC{l_2}\]
\[FeC{l_3} + Mg \to Fe + MgC{l_2}\]
\[FeC{l_3} + KI \to FeC{l_2} + {I_2} \downarrow + KCl\]
\[FeC{l_3} + AgN{O_3} \to AgCl \downarrow + Fe{(N{O_3})_3}\]
\[FeC{l_3} + {H_2}S \to FeC{l_2} + Fe{S_2} + HCl\]
Ứng Dụng
Phòng thí nghiệm: Phân tích Fe²⁺, Mg²⁺.
Công nghiệp: MgCl₂ trong xi măng; FeCl₂ xử lý nước.
Môi trường: Xử lý kim loại trong nước thải.
Bài Tập Vận Dụng
Đề bài: Cho 16,25 g FeCl₃ phản ứng hoàn toàn với Mg vừa đủ. Tính:
a) Khối lượng Mg cần dùng (g).
b) Khối lượng MgCl₂ thu được (g).
Phương trình hóa học:
\[2FeCl_3 + Mg \to 2FeCl_2 + MgCl_2\]
Giải:
\[M_{FeCl_3} = 56 + 3 \times 35,5 = 162,5 g/mol\]
\[M_{Mg} = 24 g/mol\]
\[M_{MgCl_2} = 24 + 2×35,5 = 95 g/mol\]
a) Khối lượng Mg:
Số mol của FeCl₃:
\[n_{FeCl_3} = \frac{16,25}{162,5} = 0,1 mol\]
Tỉ lệ FeCl₃:Mg = 2:1, nên:
\[n_{Mg} = \frac{0,1}{2}= 0,05 mol\]
Khối lượng Mg cần dùng:
\[m_{Mg} = 0,05 \times 24 = 1,2 gram\]
Đáp số: 1,2 g.
b) Khối lượng MgCl₂:
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tốm ta có:
\[n_{MgCl_2} = n_{Mg} = 0,05 mol\]
Khối lượng MgCl₂ thu được:
\[m_{MgCl_2} = 0,05 \times 95 = 4,75 gram\]
Đáp số: 4,75 gram.
